CN109522680B - 一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统 - Google Patents

一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统，方法包括：确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构的增益倍数；根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到柔顺放大机构模型；对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。本发明可以在当前位移机构的基础上，精确得到所需增益系数的柔顺放大机构，节省了购置设备的成本，可广泛应用于微纳操作技术领域。

Description

一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统
技术领域
本发明涉及微纳操作技术领域，尤其是一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统。
背景技术
在微纳操作领域，小位移运动机构已经得到了广泛应用，针对不同的使用场合，所要求机构运动位移也不尽相同，对于小型科研机构或个人研究者而言，当产生不同的位移要求时，如果花费大额购置费用去拥有一套能够满足精确位移要求的定位装置，资金压力较大；而想要更换一套定位机构也很难快速实现。因此，在已有精密定位机构的背景下，设计出一种能够实现给定位移需求的机构显得尤为重要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种成本低且精确度高的，微位移放大柔顺机构的构建方法及系统。
本发明一方面所采取的技术方案为：
一种微位移放大柔顺机构的构建方法，包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
进一步，所述根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式这一步骤，包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
为当前位移机构分配安装底座；
根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
进一步，所述采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域这一步骤，包括以下步骤：
采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
进一步，所述根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束这一步骤中，所述约束为螺栓约束。
进一步，所述对柔顺机构施加约束这一步骤，其具体为：
建立柔顺放大机构与当前位移机构的安装底座之间的螺栓连接。
本发明另一方面所采取的技术方案是：
一种微位移放大柔顺机构的构建系统，包括：
第一确定模块，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
离散模块，用于采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
约束模块，用于根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
第二确定模块，用于根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
创建模块，用于根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
求解模块，用于采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
重构模块，用于对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
进一步，所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
分类单元，用于为当前位移机构分配安装底座；
第二确定单元，用于根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
进一步，所述离散模块包括：
划分单元，用于采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
离散处理单元，用于对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
本发明另一方面所采取的技术方案是：
一种微位移放大柔顺机构的构建系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的微位移放大柔顺机构的构建方法。
本发明的有益效果是：本发明仅需根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，就能确定柔顺放大机构的增益倍数，进而创建优化模型，并最终得到可加工制造的三维模型；本发明可以在当前位移机构的基础上，精确得到所需增益系数的柔顺放大机构，节省了购置设备的成本。
附图说明
图1为本发明实施例的步骤流程图；
图2为本发明实施例的安装底座；
图3为本发明实施例中离散设计区域的示意图；
图4为本发明实施例中第一增益倍数对应的柔顺放大机构；
图5为本发明实施例中第二增益倍数对应的柔顺放大机构。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明实施例提供了一种微位移放大柔顺机构的构建方法，包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
进一步作为优选的实施方式，所述根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式这一步骤，包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
为当前位移机构分配安装底座；
根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
进一步作为优选的实施方式，所述采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域这一步骤，包括以下步骤：
采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
进一步作为优选的实施方式，所述根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束这一步骤中，所述约束为螺栓约束。
进一步作为优选的实施方式，所述对柔顺机构施加约束这一步骤，其具体为：
建立柔顺放大机构与当前位移机构的安装底座之间的螺栓连接。
与图1的方法相对应，本发明实施例提供了一种微位移放大柔顺机构的构建系统，包括：
第一确定模块，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
离散模块，用于采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
约束模块，用于根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
第二确定模块，用于根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
创建模块，用于根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
求解模块，用于采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
重构模块，用于对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
进一步作为优选的实施方式，所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
分类单元，用于为当前位移机构分配安装底座；
第二确定单元，用于根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
进一步作为优选的实施方式，所述离散模块包括：
划分单元，用于采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
离散处理单元，用于对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
与图1的方法相对应，本发明实施例提供了一种微位移放大柔顺机构的构建系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的微位移放大柔顺机构的构建方法。
下面结合说明书附图2-图5，以压电陶瓷为例，详细说明本发明一种微位移放大柔顺机构的构建方法的具体实施步骤：
其中，图2中，1a为安装底座与柔顺放大机构安装固定螺栓孔，1b为安装底座基地部分，1c为安装底座上的减重槽，1d为安装底座同实验平台的安装定位螺孔，1f为需要进行位移放大且能够产生一定位移输出装置(如本实施例中的压电陶瓷)，1e为能够产生位移输出装置在底座上的安装定位槽和引线槽；
图3中，2a为离散后的单元格，2b为柔顺放大机构在安装底座上螺栓连接示意固定标志，2c为作用在涉及区域底部中心的需要放大的输入位移，2d为待设计的具有位移放大机构的输出端；
图4中，3a为柔顺机构增益系数为J＝-4时的输出平台，3b为增益系数为J＝-4时柔顺机构与安装底座连接平台，3c为增益系数为J＝-4时需要放大的机构与柔顺放大机构连接平台；
图5中，4a为柔顺机构增益系数为J＝2的输出平台，4b为增益系数为J＝2柔顺机构与安装底座连接平台，4c为增益系数为J＝2需要放大的机构与柔顺放大机构连接平台。
具体地，如图2所示，本实施例中能够产生微位移的当前位移机构为压电陶瓷1f，所述压电陶瓷能够产生的最大位移为25μm，且本实施例的压电陶瓷只可以产生伸长位移，不可进行收缩位移。
在本实施例中，假设机构需要实现的伸长量最大为50μm以及需要实现的反向收缩位移为100μm，而当前的压电陶瓷无法实现上述要求，因此，需要根据给定机构(压电陶瓷)的运动位移要求来设计柔顺放大机构，具体包含以下顺序步骤：
步骤一：根据机构在整个运动过程中的运动空间大小，给定图2所示的安装底座，其中，压电陶瓷通过安装定位槽1e固定在基座上，同时，所设计的柔顺放大机构通过螺栓孔1a固定在基座上，在满足上述要求的基础上，给定图3所示的简化矩形板结构；
步骤二：根据步骤一中确定的矩形板结构，运用有限单元法划分有限单元，采用单元边长为1mm的四边形单元2a进行离散，并划分可优化区域和不可优化区域，其中不可优化区域包括约束端2b、载荷端2c以及柔顺放大机构输出端2d，其余均为可优化区域；
步骤三：首先，在步骤二中确定的载荷端2c处施加移动位移作为输入，所述移动位移为压电陶瓷能够输出的最大位移；接着，在矩形板中2b处创建约束条件，所述约束为螺栓约束，所述螺栓约束具体为：限制约束端2b处的X、Y、Z三个方向的移动位移和非螺栓轴线方向的转动位移，仅保留螺栓轴线方向的转动自由度；
步骤四：根据步骤一至三，本实施例要求的柔顺放大机构增益系数分别为J＝2和J＝-4，将两个增益系数作为柔顺放大机构中的增益要求创建优化模型；
步骤五：采用优化准则算法求解步骤四中建立的优化模型，分别得到图4所示增益J＝-4的柔顺放大机构和图5所示增益J＝2的柔顺放大机构。在这一步骤中，采用的优化准则算法如下：
Figure GDA0004003832050000071
其中，
Figure GDA0004003832050000072
为第k步迭代计算过程中单元体的单元密度；
Figure GDA0004003832050000073
为第k+1步迭代计算过程中单元体的单元密度；m为移动极限常数，其取值范围为[0.1,0.3]；V为阻尼系数，其取值范围为[0.4,0.5]；
Figure GDA0004003832050000074
为密度优选函数，其可由公式得到：
Figure GDA0004003832050000075
其中，
Figure GDA0004003832050000076
为第K步的拉格朗日体积约束系数，本实施例采用双向线性法对该值进行更新；p代表拓扑优化方法中惩罚系数；uK为第k步单元位移。
步骤六：最后，对得到的具有给定增益系数的柔顺放大机构模型进行几何重构，该步骤主要是将采用优化准则算法得到的图像转化为可加工制造的三维模型。
综上所述，本发明一种微位移放大柔顺机构的构建方法及系统，具有以下优点：
(1)、设计具有给定增益系数的柔顺放大机构可以在一套高精度、微位移定位机构的基础上，快速得到多种运动该范围的柔顺机构；
(2)、采用本发明提供该设计柔顺放大机构方法，不仅能够精确得到所需增益系数的柔顺放大机构，而且得到的机构为整体式结构，能够显著减少装配过程中装配误差引起的增益误差，提高柔顺放大机构使用过程中的位移精度。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种微位移放大柔顺机构的构建方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种微位移放大柔顺机构的构建方法，其特征在于：所述根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式这一步骤，包括以下步骤：
根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
为当前位移机构分配安装底座；
根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
3.根据权利要求1所述的一种微位移放大柔顺机构的构建方法，其特征在于：所述采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域这一步骤，包括以下步骤：
采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
4.根据权利要求1所述的一种微位移放大柔顺机构的构建方法，其特征在于：所述根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束这一步骤中，所述约束为螺栓约束。
5.根据权利要求2所述的一种微位移放大柔顺机构的构建方法，其特征在于：所述对柔顺机构施加约束这一步骤，其具体为：
建立柔顺放大机构与当前位移机构的安装底座之间的螺栓连接。
6.一种微位移放大柔顺机构的构建系统，其特征在于：包括：
第一确定模块，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小和待位移放大尺寸，确定柔顺放大机构的初始设计区域和安装方式；
离散模块，用于采用有限单元法对初始设计区域进行离散处理，得到离散设计区域；
约束模块，用于根据柔顺放大机构的安装方式，对柔顺机构施加边界载荷和约束；
第二确定模块，用于根据柔顺放大机构的待位移大小和当前位移机构的最大位移大小，确定柔顺放大机构在工作过程中所需要的增益倍数；
创建模块，用于根据柔顺放大机构的增益倍数，创建优化模型；
求解模块，用于采用优化准则算法对优化模型进行求解，得到满足增益倍数要求的柔顺放大机构模型；
重构模块，用于对柔顺放大机构模型进行几何重构，得到三维模型。
7.根据权利要求6所述的一种微位移放大柔顺机构的构建系统，其特征在于：所述第一确定模块包括：
第一确定单元，用于根据柔顺放大机构的工作空间大小，确定柔顺放大机构的初始设计区域；
分类单元，用于为当前位移机构分配安装底座；
第二确定单元，用于根据当前位移机构和安装底座，确定柔顺放大机构的安装方式。
8.根据权利要求6所述的一种微位移放大柔顺机构的构建系统，其特征在于：所述离散模块包括：
划分单元，用于采用有限单元法将初始设计区域划分为若干个单元；
离散处理单元，用于对划分得到的若干个单元进行离散处理，得到可优化区域和不可优化区域；
其中，所述可优化区域和不可优化区域均由有限个单元组成。
9.一种微位移放大柔顺机构的构建系统，其特征在于：包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-5中任一项所述的微位移放大柔顺机构的构建方法。
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